单边固支板结构变形光纤模式辨识系统及标定方法与应用技术方案

本发明专利技术涉及的是单边固支板结构变形光纤模式辨识系统的标定方法的应用，属于光纤光栅监测技术领域。该系统包括固定支架（7）、单边固支板（1）、钢索（9）、驱动装置（12）；该变形监测系统还包括光纤光栅传感器感知部分，该部分具有三种布置方式。本发明专利技术可通过光纤光栅传感器实时感知单边固支板结构变形状态，有助于细化板结构不同变形阶段的辨识精度等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种， 属于光纤光栅监测

技术介绍
机翼的弯曲变形是飞机产生升力的重要原因之一，通过对机翼弯曲变形的调整使 飞机在不同环境与飞行姿态下达到最佳飞机气动外形。通过光纤光栅传感器与机翼后缘集 成，既能有助于监测机翼柔性后缘本身的结构健康，又有助于实现对其弯曲变形状态的感 知与控制。 复杂的飞行环境对飞机尤其是机翼的可靠性与安全性提出了要求。在气动力，惯 性力，风力等非均匀力的作用下，导致机翼既产生弯曲变形又产生扭转变形，这些复杂变形 直接影响飞机飞行时的气动状态。随着计算机技术，数字图像获取处理技术和光学技术的 发展，基于计算机视觉和非接触式的三维形体扫描是目前研究的热点。中国飞行试验研究 院基于数字图形相关技术，采用高分辨率数字摄像机，进行飞机机翼的三维变形测量。目 前，针对类似机翼结构的单边固支板变形在线监测需求，还存在几个方面的问题亟待解决。 首先，针对类似机翼的单边固支板结构弯曲变形监测的标定环节，借助有限元模 拟仿真所得到的数值模拟结果因所建模型与机翼结构存在差异，且数学建模和网格划分较 难，导致与实际变形情况相差较大。因此，需要研究一种专门针对单边固支板结构弯曲变形 的方便、快捷、精确且直观的辅助标定方法。 其次，针对类似机翼的单边固支板结构包含弯曲与扭转变形的复合变形情况，常 规数字摄像方法存在体积大、重量大、计算量大、需要大量配置标记点、实时性差、易受气候 影响等缺点。再如基于加速度的变形监测方法，又存在抗电磁干扰能力差、需要大量信号线 缆、无法大量配置导致数据稀疏进而降低监测精度等问题。因此，需要研究一种基于非线性 映射辨识的分布式光纤变形监测方法。 再次，一方面为了提高机翼后缘的弯曲变形量以达到大挠度变形的要求；另一方 面，为了更加直观准确辨识结构所处变形的不同关键阶段，以及便于光纤传感器的更换与 黏贴，还需要设计出一种弯曲变形状态辅助监测机构，用于实现上述目的。 综合上述分析，如何实现针对类似机翼的板结构变形在线监测技术，分别需要在 变形监测标定、变形状态辨识等环节进行研究，从而为提高飞行器安全性能、操控性能提供 理论与实践依据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供单边固支板结构变形光纤模式辨识系统及标定方法与应 用，该方法可用于房屋梁结构弯曲变形、单边固支板结构机翼模型弯曲变形监测领域等。 -种单边固支板结构变形光纤模式辨识系统，其特征在于：包括固定支架、单边固 支板、钢索、驱动装置；其中单边固支板垂直固定于固定支架上；单边固支板上依次并排布 置若干个具有不同高度的辅助定位杆；从单边固支板的固定端向自由端方向所述辅助定位 杆高度逐次减小；上述钢索一端固定于固支板的自由端，另一端依次穿过所有辅助定位杆 顶部的通孔，最后绕过位于固定支架端部的定滑轮与所述驱动装置相连；该变形监测系统 还包括光纤光栅传感器感知部分，该部分具有三种布置方式：第一种布置方式：每个辅助 定位杆的根部布置有光纤光栅传感器，在单边固支板结构自由端部布置带有十字型透光片 的激光指示器，激光指示器的输出光束与固支板结构长度方向垂直，在单边固支板旁边放 置用于接收激光指示器的输出光束的投影板，激光指示器的输出光束垂直于投影板面；所 布置的光纤光栅传感器串联后与光纤光栅解调仪相连；第二种布置方式：在单边固支板的 表面按网格方式布置光纤光栅传感器，在板结构长、宽方向各设置一组数字摄像机；所布置 的光纤光栅传感器均与光纤光栅解调仪相连；第三种布置方式：在单边固支板的表面靠近 固支边处，且平行固支边布置一列光纤光栅传感器，该列中的每个光纤光栅传感器轴向均 与固支边垂直；在单边固支板结构自由端部布置带有十字型透光片的激光指示器，激光指 示器的输出光束与固支板结构长度方向垂直，在单边固支板旁边放置用于接收激光指示器 的输出光束的投影板，激光指示器的输出光束垂直于投影板面；所布置的光纤光栅传感器 串联后与光纤光栅解调仪相连。 所述单边固支板结构变形光纤模式辨识系统的标定方法，其特征在于：针对第一 种布置方式，用于单边固支板纯弯曲情况监测：首先，控制驱动装置使固支板在自由端加 载，进而产生不同程度的弯曲变形；其次，记录以下信息：激光指示器十字光斑的位置、最 接近自由端的辅助定位杆的根部的光纤光栅传感器中心波长值、其余辅助定位杆上根部的 光纤光栅传感器中心波长值；当载荷较小的时候，靠近自由端的固支板存在弯曲变形，即靠 近自由端的辅助定位杆根部的光纤光栅传感器存在中心波长偏移；当载荷增大时，远离自 由端的固支板也开始出现弯曲变形，即远离自由端的辅助定位杆根部的光纤光栅传感器也 开始出现中心波长偏移，通过其余辅助定位杆上根部的光纤光栅传感器中心波长偏移初步 判断弯曲程度；最终，根据十字光斑位置变化计算出每次单边固支板结构弯曲变形量；再 次，拟合出最接近自由端的辅助定位杆根部的光纤光栅传感器中心波长偏移量与单边固支 板结构弯曲变形量之间映射关系曲线。所述单边固支板结构变形光纤模式辨识系统的标定 方法的应用，其特征在于：当需主动控制单边固支板结构弯曲变形时，采用上述映射关系曲 线得知当前单边固支板结构具体弯曲变形情况，并判断是否到达预定目标变形状态。 针对第一种方式，传感器布置方法的优点和实际效果在于：首先，光纤光栅感知器 件由于配置于辅助定位杆根部，使得其在板结构变形过程中不易受到其他辅助材料干扰作 用，且在发生意外损伤情况下也便于直接更换。其次，在单边固支板结构弯曲变形过程中， 钢索依次对板面上从端部到根部排列的辅助定位杆产生载荷作用，使得布置在这些辅助定 位杆根部的光纤光栅传感器中心波长会依次发生不同大小的偏移。由于板结构不同弯曲变 形阶段，处于不同位置的辅助定位杆根部的光纤光栅传感器中心波长发生偏移的时刻和偏 移量存在差异，可以为板结构弯曲变形阶段的快速直接辨识提供依据。此外，通过增加配置 有光纤传感器的辅助定位杆数量还可以细化板结构不同变形阶段的辨识精度。针对单边固 支板结构弯曲变形时所监测目标点既产生横向位移又产生纵向位移，而常规位移传感器难 以测量这种板面非线性变形的不足，提出一种简便的基于激光指示器的变形辅助测量和标 定方法。 所述单边固支板结构变形光纤模式辨识系统的标定方法，其特征在于：针对第二 种布置方式，用于单边固支板纯弯曲或弯扭复合变形情况监测的：首先，确定单边固支板结 构变形姿态出现频率较高的若干典型变形姿态；其次，记录单边固支板结构各典型变形姿 态下各光纤光栅中心波长值和数字摄像机组确定的单边固支板结构变形姿态；再次，将上 述数据相互匹配并建立一个数据库。所述单边固支板结构变形光纤模式辨识系统的标定方 法的应用，其特征在于：在单边固支板结构服役过程中时，根据所得的各光纤光栅传感器中 心波长值，结合所建立的数据库，采用Hausdorff算法即可知当前单边固支板结构弯曲变 形状态。 针对第二种方式，传感器布置方法的优点和实际效果在于：此传感器布置方式有 助于实现单边固支板结构的复合变形感知，可以将典型单边固支板板结构变形状态的标定 工作在前期完成，有助于减轻监测系统复杂程度。 所述单边固支板结构变形光纤模式辨识系统的标定方法，其特征在于：针对第三 种布置方式，用于纯弯曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单边固支板结构变形光纤模式辨识系统，其特征在于：包括固定支架(7)、单边固支板(1)、钢索(9)、驱动装置(12)；其中单边固支板(1)垂直固定于固定支架(7)上；单边固支板上依次并排布置若干个具有不同高度的辅助定位杆(8)；从单边固支板的固定端向自由端方向所述辅助定位杆(8)高度逐次减小；上述钢索(9)一端固定于固支板(1)的自由端，另一端依次穿过所有辅助定位杆(8)顶部的通孔(13)，最后绕过位于固定支架(7)端部的定滑轮(11)与所述驱动装置(12)相连；该变形监测系统还包括光纤光栅传感器感知部分，该部分具有三种布置方式：第一种布置方式：每个辅助定位杆(8)的根部布置有光纤光栅传感器(5)，在单边固支板结构(1)自由端部布置带有十字型透光片(3)的激光指示器(2)，激光指示器的输出光束与固支板结构长度方向垂直，在单边固支板(1)旁边放置用于接收激光指示器的输出光束的投影板(4)，激光指示器的输出光束垂直于投影板面；所布置的光纤光栅传感器串联后与光纤光栅解调仪(10)相连；第二种布置方式：在单边固支板(1)的表面按网格方式布置光纤光栅传感器(5)，在板结构长、宽方向各设置一组数字摄像机(6)；所布置的光纤光栅传感器均与光纤光栅解调仪(10)相连；第三种布置方式：在单边固支板(1)的表面靠近固支边处，且平行固支边布置一列光纤光栅传感器(5)，该列中的每个光纤光栅传感器(5)轴向均与固支边垂直；在单边固支板结构(1)自由端部布置带有十字型透光片(3)的激光指示器(2)，激光指示器的输出光束与固支板结构长度方向垂直，在单边固支板(1)旁边放置用于接收激光指示器的输出光束的投影板(4)，激光指示器的输出光束垂直于投影板面；所布置的光纤光栅传感器串联后与光纤光栅解调仪(10)相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾捷，毛超群，周煜青，史璐，张钰珏，刘苏州，梁大开，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32